蘇州大學 Adv. Funct. Mater: 基于無機鈣鈦礦CsPbI3-CsPbBr3異質結納米線陣列的柔性自供電橫向光電探測器

【背景介紹】

如今，由于無機鈣鈦礦具有很強的吸光性、較高的載流子遷移率和良好的穩定性，其在太陽能電池、光電探測器等領域被廣泛的應用。尤其是在沒有外部能源的情況下，自供電的鈣鈦礦光電探測器也可以工作。目前，研究最多的器件類型是垂直異質結。然而，由電荷傳輸層和頂部電極組成的垂直器件會導致入射光的損失和界面的大量缺陷，進而降低器件性能。但是，橫向異質結器件則可以避免上述問題。光與有源層的直接接觸可以減少光的反射和損耗，異質結的小接觸面積可以減少缺陷。因此，自供電橫向鈣鈦礦光電探測器在未來的應用中具有巨大的潛力。

高質量的無機CsPbI₃納米線陣列具有較少的非理想晶界，是橫向異質結器件的理想選擇。然而，很少有報道基于黑相CsPbI₃的異質結結構。此外，橫向異質結的窄耗盡區需要一對電極精確地位于鈣鈦礦薄膜的兩側，故一直利用電子束光刻（EBL）技術，但其會加速黑相CsPbI₃轉變為黃色相CsPbI₃。因此，研究穩定的黑相CsPbI₃納米線陣列和自供電的橫向光探測器是非常有必要的。

【成果簡介】

基于此，蘇州大學物理科學與技術學院的李亮教授（通訊作者）團隊報道了將由聚乙烯吡咯烷酮（PVP）穩定的CsPbI₃膜打印成納米線陣列，并利用原位轉變和電極制造工藝實現了自供電鈣鈦礦CsPbI₃-CsPbBr₃異質結的橫向光電探測器。通過優化前體溶劑的濃度，使晶體生長受到模板通道的限制，從而提高晶體質量和穩定性。對比平面薄膜器件，異質結納米線陣列可有效的改善光響應特性。納米線器件的響應度（R）為125 mA W^-1，快速上升/下降的時間為0.7/0.8 ms。在柔性聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）基底上進一步制造了異質結納米線陣列。其光響應幾乎與剛性設備相同，在500次彎曲循環后或在180°彎曲角度下仍可保持超過90％的初始性能。該研究成果以題為“Flexible and Self-Powered Lateral Photodetector Based on Inorganic Perovskite CsPbI3-CsPbBr3 Heterojunction Nanowire Array”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、CsPbI₃納米線陣列的表征
（a）CsPbI₃納米線陣列的SEM圖像；

（b-d）由不同前體濃度制備的納米線陣列的XRD、TRPL和開關曲線。

圖二、自供電光電探測器的原位轉換和電極制造過程
（a）主要制造過程的示意圖；

（b）薄膜的吸收曲線；

（c）最終設備的SEM圖像；

（d）從電極的垂直間隙收集的線性EDX光譜。

圖三、薄膜和納米線陣列的性能測試
（a-b）薄膜和納米線陣列的AFM圖像和表面電勢；

（c-d）從（a）和（b）中提取的CPD；

（e）薄膜和納米線陣列器件的I-V曲線；

（f）R和光強度之間的關系。

圖四、制成的柔性器件性能
（a）柔性薄膜的干擾現象。

（b）在0-500次周期不同彎曲下進行的彎曲測試；

（c）在0o-180^o的不同彎曲角度下進行的彎曲測試。

【總結】

綜上所述，作者通過一種新穎的原位轉換和電極制作方法，成功的制備了一種基于橫向CsPbI₃-CsPbBr₃異質結納米線陣列的自供電橫向光電探測器。該納米線陣列器件在零偏壓下具有125 mA W^-1的R以及0.7和0.8 ms的快速上升和下降時間。該柔性裝置在不同的彎曲條件下也具有良好的柔性。這項工作為橫向鈣鈦礦異質結光電器件的應用開辟了新途徑。

文獻鏈接：Flexible and Self-Powered Lateral Photodetector Based on Inorganic Perovskite CsPbI₃-CsPbBr₃ Heterojunction Nanowire Array.（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.201909771）

李亮教授課題組近期部分代表性論文：

1. Zhongze Liu, Fengren Cao, Meng Wang, Min Wang, Liang Li*. “Observing Defect Passivation of the Grain Boundary with 2‐Aminoterephthalic Acid for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”, Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 132, 4190.

2. Haoxuan Sun, Wei Tian, Xianfu Wang, Kaimo Deng, Jie Xiong*, Liang Li*, “In Situ Formed Gradient Bandgap‐Tunable Perovskite for Ultrahigh‐Speed Color/Spectrum‐Sensitive Photodetectors via Electron‐Donor Control”, Adv. Mater. 2020, https://doi.org/10.1002/adma.201908108.

3. Wei Tian, Liangliang Min, Fengren Cao, Liang Li*, “Nested Inverse Opal Perovskite towards Superior Flexible and Self-Powered Photodetection Performance”, Adv. Mater. 2020, 1906974.

4. Haoxuan Sun, Kaimo Deng, Jie Xiong*, Liang Li*. “Graded Bandgap Perovskite with Intrinsic n-p Homojunction Expands Photon Harvesting Range and Enables All Transport Layer‐Free Perovskite Solar Cells”, Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903347.

5. Meng Wang, Wei Tian, Fengren Cao, Min Wang, Liang Li*. “Flexible and Self‐Powered Lateral Photodetector Based on Inorganic Perovskite CsPbI3–CsPbBr3 Heterojunction Nanowire Array”, Adv. Funct. Mater. 2020, https://doi.org/10.1002/adfm.201909771.

6. Fengren Cao, Linxing Meng, Meng Wang, Wei Tian, Liang Li*, “Gradient Energy Band Driven High‐Performance Self‐Powered Perovskite/CdS Photodetector”, Adv. Mater. 2019, 31, 1806725.

7. Zhongze Liu, Kaimo Deng, Jun Hu, Liang Li*. “Coagulated SnO2 Colloids for High‐Performance Planar Perovskite Solar Cells with Negligible Hysteresis and Improved Stability”, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 131, 11621.

8. Fengren Cao, Wei Tian, Meng Wang, Heping Cao, Liang Li*, “Semitransparent, Flexible, and Self‐Powered Photodetectors Based on Ferroelectricity‐Assisted Perovskite Nanowire Arrays”, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1901280.

9. Haoxuan Sun, Yu Zhou, Yu Xin, Kaimo Deng, Linxing Meng, Jie Xiong*, Liang Li*, “Composition and Energy Band–Modified Commercial FTO Substrate for In Situ Formed Highly Efficient Electron Transport Layer in Planar Perovskite Solar Cells”, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808667.

10. Kaimo Deng, Zhongze Liu, Min Wang, Liang Li*. “Nanoimprinted Grating‐Embedded Perovskite Solar Cells with Improved Light Management”, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1900830.

本文由CQR編譯。

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